路径损耗和阴影衰落PPT课件
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第2章 路径损耗和阴影衰落
无线信道的挑战：可靠、高速通信？？
噪音、干扰和其他信道因素影响 用户移动和信道动态变化—随时间随机变化
讨论：路径损耗和阴影效应接收信号功率随
距离变化的规律
路径损耗：由发射功率的辐射扩散及信道的传 播特性造成
一般认为对于相同收发距离，路径损耗相同
阴影效应：由发射机和接收机之间的障碍物造
Maxwell方程
常见近似方法：
射线跟踪技术：忽略Maxwell方程散射效应 射线跟踪模型：
两径模型、经验模型、统计模型等等
2.2 发送和接收信号模型
发送信号和接收信号的表示：
接收与发送信号：实信号（vs.复数信道建模） 发送和接收信号表示成复信号的实部
发送信号：u(t)为s（t）的等效基带信号
成
障碍物通过吸收、反射、散射和绕射等方式衰减信
号功率，甚至严重时阻断信号。
cf: 路径损耗引起在长距离上； 而阴影引起在障碍物尺寸
的距离上功率变化 (室外：10m100m，室内更小)
大尺度传播效应：两者在相对较大距离上 引起的功率变化（cf.小尺度传播效应）
小尺度传播效应：如：多径信号干涉，在 波长数量级距离上引起功率变化。
在路径损耗、阴影效应和多径传播下：
X的分贝值：xlog10x
2.1 无线电波传播
无线电波传播发展历史：物理发现通信技术
1864年J.C. Maxwell建立的电磁波传播理论预言 无线电波存在
1887年H.Hertz证实了电磁波物理存在 他认为声波频率非常低且电磁波传播特性差，无 法携带语音
于波长足够大且相当平滑近似误差最小
cf.经验数据：在乡村地区、发射机和接收机都很靠近
地面的街道、适当调整了射线系数的室内环境能精 确建模接收信号功率
除接收功率变化外，并不能有效反映多径时延扩展等
其他传播特性。
2.4 射线跟踪
射线跟踪法建模：
如发射机、接收机和反射体都静止多个信号路径特 性是固定的
Q：考虑有限个反射体，if位置和介电性质已知
适当边界条件求解Maxwell方程多径传播路
径
计算复杂，不适于通用建模方法 射线跟踪法：简单几何方程取代Maxwell方程，近
似反射、绕射和散射对波前的影响。
2.4 射线跟踪
射线跟踪法建模特点：
接收机距最近反射体数个波长、所有反射体大小相对
1894年O.Lodge 第一个无线通信系统，距离150m 1897年G.Marconi把无线电信号从怀特岛发到18
英里外的拖船
1901年Marconi无线通信系统能横跨大西洋
2.1 无线电波传播
无线电波传播发展历史：
电波信号通信
1906年Fessenden使用幅度调制第一次进行了语
2.3 自由空间的路径损耗
视距（LOS）信道：假设信号经过自由空间到达
距离d处的接收机，发射机和接收机之间没有任 何障碍物，信号沿直线传播。
相应的接收信号：LOS信号或直射信号 自由空间路径损耗使接收信号相对于发送信号引
入了一个复数因子，产生接收信号：
2.3 自由空间的路径损耗
： 视距方向上发射天线和接收天线的增益
音和音乐传送：低频信号调制到高频电磁波上传输
突破Hertz的低频传播限制今天各种无线通信 系统普遍适用方法
电磁波传播：
墙壁、地面、建筑物等反射、散射和绕射
2.1 无线电波传播
电磁波传播：
电波传播：求解带边界条件的Maxwell方程 边界条件：表征障碍物的物理特征 求解：计算复杂，参数难以得到 近似方法：描述传播特性、避免求解复杂的
发送信号s(t)的功率为Pt，接收信号r(t)功率Pr
信道的路径损耗真值:发送功率和接收功率的比 值。
信道的路径损耗：路径损耗真值的分贝数
2.2 发送和接收信号模型
信道是无源的，只能衰减信号，用分贝表示的路 径损耗一般都是非负值
路径增益分贝值：路径损耗分贝值的负数（通常 负值）
几种射线跟踪模型：
两径模型：地面反射波+直射波少量反射体的固定 区域只需知道天线高度
之积
：由传播距离d引起的相移
2.3 自由空间的路径损耗
发送信号s(t)功率Pt则有：
接收功率与收发天线间距离d的平方成反比（其
他模型中随d下降的更快）
接收Fra Baidu bibliotek率与波长的平方成正比载波频率越高接
收功率越小
接收功率与波长有关是因为：接收天线的有效面 积和波长有关。（如采用定向天线，接收功率也
接收信号：
2.2 发送和接收信号模型
多普勒频移： 当发射机和接收机中有一方在移动时，接收信
号会有一个多普勒频移
：入射波相对于移动方向角度
v：接收机沿移动方向移动速度
：信号波长
2.2 发送和接收信号模型
多普勒频移：
2.2 发送和接收信号模型
多普勒频移：
接收机朝发送机方向移动
正值
如发射机或接收机是运动的，路径特性时变的 如果反射体数量、位置和特性在任何时间已知
确定的时变信道 否则随机时变信道统计模型 如反射体数量很大或者表面不光滑统计模型
2.4 射线跟踪
射线跟踪模型：
包含直射、反射、绕射和散射等各种衰落分量
（需要知道发射机和接收机周围所有物体的几何和介 电特性）
Tips:全向天线Gl=1
2.4 射线跟踪
反射、绕射和散射：从固定发射机发出的无线电 信号在其传播环境中会遇到许多物体，从而发生
经由反射、绕射和散射到达接收机的信号分量： 多径信号分量
2.4 射线跟踪
接收端收到多径信号cf直射信号：功率衰减、时
延、相移及频移
多径信号和直射信号在接收端叠加信号失真
可能随着频率增加而增加）
2.3 自由空间的路径损耗
自由空间路径损耗定义为：自由空间模型下的路 径损耗
自由空间路径增益为：
2.3 自由空间的路径损耗
eg1：有一室内WLAN，载波频率fc=900MHz,小 区半径10m，使用全向天线。自由空间路径损耗 模型下，如果要求小区所有终端的最小接收功率 为10μW,问接入点发射功率应该是多大？如果工 作频率变成5GHz，相应所需的发射功率又是多 少？
无线信道的挑战：可靠、高速通信？？
噪音、干扰和其他信道因素影响 用户移动和信道动态变化—随时间随机变化
讨论：路径损耗和阴影效应接收信号功率随
距离变化的规律
路径损耗：由发射功率的辐射扩散及信道的传 播特性造成
一般认为对于相同收发距离，路径损耗相同
阴影效应：由发射机和接收机之间的障碍物造
Maxwell方程
常见近似方法：
射线跟踪技术：忽略Maxwell方程散射效应 射线跟踪模型：
两径模型、经验模型、统计模型等等
2.2 发送和接收信号模型
发送信号和接收信号的表示：
接收与发送信号：实信号（vs.复数信道建模） 发送和接收信号表示成复信号的实部
发送信号：u(t)为s（t）的等效基带信号
成
障碍物通过吸收、反射、散射和绕射等方式衰减信
号功率，甚至严重时阻断信号。
cf: 路径损耗引起在长距离上； 而阴影引起在障碍物尺寸
的距离上功率变化 (室外：10m100m，室内更小)
大尺度传播效应：两者在相对较大距离上 引起的功率变化（cf.小尺度传播效应）
小尺度传播效应：如：多径信号干涉，在 波长数量级距离上引起功率变化。
在路径损耗、阴影效应和多径传播下：
X的分贝值：xlog10x
2.1 无线电波传播
无线电波传播发展历史：物理发现通信技术
1864年J.C. Maxwell建立的电磁波传播理论预言 无线电波存在
1887年H.Hertz证实了电磁波物理存在 他认为声波频率非常低且电磁波传播特性差，无 法携带语音
于波长足够大且相当平滑近似误差最小
cf.经验数据：在乡村地区、发射机和接收机都很靠近
地面的街道、适当调整了射线系数的室内环境能精 确建模接收信号功率
除接收功率变化外，并不能有效反映多径时延扩展等
其他传播特性。
2.4 射线跟踪
射线跟踪法建模：
如发射机、接收机和反射体都静止多个信号路径特 性是固定的
Q：考虑有限个反射体，if位置和介电性质已知
适当边界条件求解Maxwell方程多径传播路
径
计算复杂，不适于通用建模方法 射线跟踪法：简单几何方程取代Maxwell方程，近
似反射、绕射和散射对波前的影响。
2.4 射线跟踪
射线跟踪法建模特点：
接收机距最近反射体数个波长、所有反射体大小相对
1894年O.Lodge 第一个无线通信系统，距离150m 1897年G.Marconi把无线电信号从怀特岛发到18
英里外的拖船
1901年Marconi无线通信系统能横跨大西洋
2.1 无线电波传播
无线电波传播发展历史：
电波信号通信
1906年Fessenden使用幅度调制第一次进行了语
2.3 自由空间的路径损耗
视距（LOS）信道：假设信号经过自由空间到达
距离d处的接收机，发射机和接收机之间没有任 何障碍物，信号沿直线传播。
相应的接收信号：LOS信号或直射信号 自由空间路径损耗使接收信号相对于发送信号引
入了一个复数因子，产生接收信号：
2.3 自由空间的路径损耗
： 视距方向上发射天线和接收天线的增益
音和音乐传送：低频信号调制到高频电磁波上传输
突破Hertz的低频传播限制今天各种无线通信 系统普遍适用方法
电磁波传播：
墙壁、地面、建筑物等反射、散射和绕射
2.1 无线电波传播
电磁波传播：
电波传播：求解带边界条件的Maxwell方程 边界条件：表征障碍物的物理特征 求解：计算复杂，参数难以得到 近似方法：描述传播特性、避免求解复杂的
发送信号s(t)的功率为Pt，接收信号r(t)功率Pr
信道的路径损耗真值:发送功率和接收功率的比 值。
信道的路径损耗：路径损耗真值的分贝数
2.2 发送和接收信号模型
信道是无源的，只能衰减信号，用分贝表示的路 径损耗一般都是非负值
路径增益分贝值：路径损耗分贝值的负数（通常 负值）
几种射线跟踪模型：
两径模型：地面反射波+直射波少量反射体的固定 区域只需知道天线高度
之积
：由传播距离d引起的相移
2.3 自由空间的路径损耗
发送信号s(t)功率Pt则有：
接收功率与收发天线间距离d的平方成反比（其
他模型中随d下降的更快）
接收Fra Baidu bibliotek率与波长的平方成正比载波频率越高接
收功率越小
接收功率与波长有关是因为：接收天线的有效面 积和波长有关。（如采用定向天线，接收功率也
接收信号：
2.2 发送和接收信号模型
多普勒频移： 当发射机和接收机中有一方在移动时，接收信
号会有一个多普勒频移
：入射波相对于移动方向角度
v：接收机沿移动方向移动速度
：信号波长
2.2 发送和接收信号模型
多普勒频移：
2.2 发送和接收信号模型
多普勒频移：
接收机朝发送机方向移动
正值
如发射机或接收机是运动的，路径特性时变的 如果反射体数量、位置和特性在任何时间已知
确定的时变信道 否则随机时变信道统计模型 如反射体数量很大或者表面不光滑统计模型
2.4 射线跟踪
射线跟踪模型：
包含直射、反射、绕射和散射等各种衰落分量
（需要知道发射机和接收机周围所有物体的几何和介 电特性）
Tips:全向天线Gl=1
2.4 射线跟踪
反射、绕射和散射：从固定发射机发出的无线电 信号在其传播环境中会遇到许多物体，从而发生
经由反射、绕射和散射到达接收机的信号分量： 多径信号分量
2.4 射线跟踪
接收端收到多径信号cf直射信号：功率衰减、时
延、相移及频移
多径信号和直射信号在接收端叠加信号失真
可能随着频率增加而增加）
2.3 自由空间的路径损耗
自由空间路径损耗定义为：自由空间模型下的路 径损耗
自由空间路径增益为：
2.3 自由空间的路径损耗
eg1：有一室内WLAN，载波频率fc=900MHz,小 区半径10m，使用全向天线。自由空间路径损耗 模型下，如果要求小区所有终端的最小接收功率 为10μW,问接入点发射功率应该是多大？如果工 作频率变成5GHz，相应所需的发射功率又是多 少？